实现广播上行网络与其它认知无线电网络共存的方法

摘要

本发明涉及一种实现广播上行网络与其它认知无线电网络共存的方法，所述的广播上行网络与其它认知无线电网络共同利用白频谱资源，通过频谱礼仪流程来最大可能地避免产生冲突的可能。与现有技术相比，本发明通过在一段较窄的频谱资源上广播信息，多个网络协同合作，实现了混合网络的共存，缓解了当前频谱资源紧缺的问题，提高了广播网络的使用效率等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及混合网络共存技术，尤其是涉及一种实现广播上行网络与其它认 知无线电网络共存的方法。

背景技术

伴随着通信技术的发展，广播网络同样在经历着变革与更新。在最近几年的调 查中显示，来自全球各国的广播运营商均认为未来的广播业务将向着超高清，实时 互动，立体3D影音，个性化定制等方向发展。这其中，超高清，立体3D等技术 与广播内容有关，而实时的交互性则需要对现有的广播网络进行重新规划。越来越 多关于交互性的实现方案被提出，如混合LTE-广播网络，混合Wifi-广播网络等， 如何实现混合网络的共存成为亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种实现广播上 行网络与其它认知无线电网络共存的方法，该方法使用较少的频段，通过中心广播 大塔集中调度，实现了广播上行网络与其它认知无线电网络的共存，提高了广播频 道的使用效率，为用户提供了新的通信途径。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种实现广播上行网络与其它认知无线电网络共存的方法，其特征在于，所述 的广播上行网络与其它认知无线电网络共同利用白频谱资源，通过频谱礼仪流程来 最大可能地避免产生冲突的可能。

所述的白频谱资源分配过程如下：

1)在频谱分配阶段，广播大塔将预留部分白频谱资源作为其它认知无线电网 络的资源；同时将所有可用白频谱资源中频率最低的部分频带作为公共共享信道， 该信道上将周期性地广播频谱使用情况信息；

2)认知无线电设备检测到频谱之后，在公共共享信道中广播自己的频谱请求；

3)广播大塔在接收到步骤2)中的请求后对白频谱资源进行调配，并在下一 个时隙通过共享信道将调配结果广播给认知无线电设备，对应的认知无线电设备在 分配给自己的时间段内使用白频谱资源。

所述的预留部分白频谱资源包括尚未被分配的空闲频道和由于模拟广播转数 字广播进程而空余出来的部分频谱资源。

所述的广播大塔或中继基站每个设定周期通过公共共享信道广播当前覆盖区 域内的白频谱使用情况，具体内容包括：当前基站内的频谱使用情况，来自大塔的 控制信息和白频谱预留资源的使用情况。

若由于认知无线电设备的加入需要上行用户与认知无线电设备共享某一频段， 对上行用户的控制信息通过下行广播给用户，所述的公共共享信道的存在对用户而 言是透明的。

所述的预留部分白频谱资源的带宽占上行带宽的10％。

所述的公共共享信道的设置步骤包括：

第一步，根据目标地区的环境选择衰落模型；

第二步，对于目标地区周围的地区，根据广播频道划分政策，选择一个频道， 并根据这一频道对应的中心频点，发射功率以及两地之间的距离，利用衰落模型计 算传输衰减；

第三步，判断这一频道对当前地区是否属于白频谱资源，若该频道在经历大尺 度衰落之后，在当前地区的能量低于接收门限，则该频道被作为当前地区的广播白 频谱使用，否则需要对另外的频道重新进行计算；

第四步，广播大塔在当前可用的白频谱资源中，选择频率最低的部分频谱，将 带宽为广播频道10％的频带资源设置为公共共享信道。

与现有技术相比，本发明通过在一段较窄的频谱资源上广播信息，多个网络 协同合作，实现了混合网络的共存，缓解了当前频谱资源紧缺的问题，提高了广播 网络的使用效率；

通过本发明共享控制信道的策略，可以实现广播上行网络与其它认知无线电 网络的共存，进一步提高了白频谱的利用率。若没有预留足够的白频谱资源，则每 次有认知无线电设备都需要重新广播上行用户的上行时间，导致下行广播信令开销 的增大，而预留的白频谱资源越多，可用于广播上行的频带资源相对减少。值得一 提的是，通过共享信道广播白频谱资源的使用情况，其它认知无线电网络中的隐终 端也得到了解决。

附图说明

图1为本发明频谱礼仪示意图；

图2为上行用户平均等待时延变化曲线图(预留5％频谱资源)；

图3为上行用户平均等待时延变化曲线图(预留10％频谱资源)；

图4为上行用户平均等待时延变化曲线图(预留20％频谱资源)；

图5为上行吞吐量变化曲线图(预留5％频谱资源)；

图6为上行吞吐量变化曲线图(预留10％频谱资源)；

图7为上行吞吐量变化曲线图(预留20％频谱资源)。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。 基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获 得的所有其他实施例，都应属于本发明保护的范围。

本发明具体包括如下步骤：

第一步，在频谱分配阶段，广播大塔为每个中继基站分配8MHz的带宽，作 为广播上行业务所使用的频带资源，将剩余的白频谱资源保留为认知无线电网络使 用的资源。并将白频谱资源中频率最低的小部分频带作为公共共享信道(Common Co-existenceChannel)，所有的中继基站，中心大塔和认知无线电都将对监听公共 共享信道中的内容。

第二步，广播内容结束后，其它认知无线电设备随机地在共享信道上发起接入 请求。若成功接入，则中心广播大塔将在下一个10ms广播接入请求的回应，若发 生冲突，则广播大塔不作出响应，认知无线电设备随机地等待一段时间，再次发起 接入请求。

第三步，中心广播大塔在接到接入请求之后，结合认知无线电设备所处的区域 和当前该区域的上行网络负载情况，选择是否中断上行网络服务进行认知无线电业 务，或将认知无线电网络调度到其它频段。若预留的白频谱资源足够，或认知无线 电业务对时延的要求不高，则将预留的白频谱资源分配给认知无线电网络；若其它 认知无线电网络负载较高，或认知无线电业务优先级高于上行广播业务，则中心广 播大塔为认知无线电网络分配部分上行广播网络的频谱资源，同时通知上行用户暂 停业务或延迟上行业务。

公共共享信道的设置步骤包括：

第一步，根据目标地区的环境选择衰落模型，具体包括奥村模型-大型城市衰 落模型，奥村模型-中小型城市衰落模型，奥村模型-乡村衰落模型。

第二步，对于目标地区周围的地区，根据我国现行的广播频道划分政策，选择 一个频道，并根据这一频道对应的中心频点，发射功率以及两地之间的距离，利用 奥村衰落模型计算传输衰减。

第三步，判断这一频道对当前地区是否属于白频谱资源。若该频道在经历大尺 度衰落之后，在当前地区的能量低于接收门限，则认为该频道可以被作为当前地区 的广播白频谱使用，否则需要对另外的频道重新进行计算。

第四步，广播中心大塔在当前可用的白频谱资源中，选择频率最低的一部分频 谱，将带宽为广播频道10％的频带资源设置为共享控制信道。

不同网络混合接入的具体步骤包括：

第一步：中心大塔与中继基站按照一定的次序，依次在公共共享信道上广播当 前各自负责接收的区域内频谱使用情况，广播的间隔为10ms，广播的具体内容包 括：当前基站内的频谱使用情况，来自大塔的控制信息和白频谱预留资源的使用情 况；

第二步：广播内容结束后，其它认知无线电设备随机地在共享信道上发起接入 请求；

第三步：中心广播大塔在接到接入请求之后，结合认知无线电设备所处的区域 和当前该区域的上行网络负载情况，选择是否中断上行网络服务进行认知无线电业 务，或将认知无线电网络调度到其它频段。

如图1所示，为频谱礼仪的一般流程。T1～T5分别表示五个时隙，为了与广播 上行网络兼容，本发明规定每个时隙的持续时间为10ms。在每个时隙的开始阶段， 由某一个基站通过共享信道广播调度结果和网络使用状况，认知无线电设备则这个 广播内容结束之后发送自己的频谱请求，如图中CPE1(CognitivePractical Equipment)、CPE2和CPE3。在T2时隙，CPE1发出服务请求，中心大塔在接收 到这个请求后在T3时隙通过基站广播调度结果，通知CPE可用的白频谱资源频段 和可用时间。在T4时间，CPE2和CPE3均发出了服务请求，中心大塔分析了两个 设备的请求之后做出调配，由于CPE2先发出请求，因此优先给CPE2使用预留的 白频谱资源；而CPE3的请求具有时延要求，希望能够在下一个时隙得到服务，与 此同时BS1当前阶段的网络负载较小，于是中心大塔通知CPE3使用F1频段，并 通过广播频道通知BS1小区内的上行用户，在T5时隙的部分时间内暂时保持静默。

如今，伴随着通信事业的发展，人们对于交互性服务的需求日益增多，若在广 播网络中增加一个回传通道满足人们的需求，广播运营商需要解决上行网络与其它 认知无线电网络共存的问题。

针对此问题，可以利用现有的广播白频谱资源，构建一个广播上行网络，提高 用户体验。

首先介绍基本的链路预算方法，通过链路预算可以估计在给定发射功率的前提 下，发射机的最远覆盖距离。利用这个方法可以估计某个地区的可用广播频谱，也 可以用来估计广播上行网络中小区的一般覆盖半径。链路预算的一般流程包括配置 系统带宽，确定天线配置，MIMO配置情况，确定开销复核，发送端功率增益/损 耗计算，接收端功率增益/损耗计算，链路总预算等。

为了保证接收机的正常接收，接收信号的强度应当满足

P_rx＞N₀(1)

式中，P_rx——接收端的信号强度；

N₀——基底噪声；

N₀＝30+10lg(kT)+10lg(B)+NF(2)

式中，k——玻尔兹曼常数，k＝1.38×10^-23J/K；

T——热力学温度，常温下T＝290K；

B——带宽，单位Hz；

NF——噪声系数，我们假设NF＝5dB。

接收端的信号强度与发射端的信号强度和信号衰落之间的关系由(3)表示

P_rx＝P_tx-L_p(d)(3)

其中，L_p(d)表示路径损耗。奥村模型下的城市路径损耗如式(4)所示

$\left(\begin{array}{c}{L}_p\left(d\right)=69.55+26.16{\log }_{10}\left(f\right)-13.82{\log }_{10}\left(h_t\right)\\ -k\left(h_r\right)+[44.9-6.55{\log }_{10}\left(h_t\right)]{\log }_{10}\left(d\right)\end{array}\right)---\left(4\right)$

式中，f——信号中心载频；

h_t，h_r——发射天线与接收天线的高度，单位m；

k(h_r)——移动接收天线的修正因子；

对于中等规模的城市，

k(h_r)＝(1.1lgf-0.7)h_r-(1.56lgf-0.8)(5)

对于大型城市，

k(h_r)＝3.2(lg11.75h_r)²-4.97(6)

对于郊区地区，路径损耗L_rural(d)可以由式(10)表示

L_rural(d)＝L_p(d)-2[lg(f/28)]²-5.4(7)

根据以上公式即可推算在确定的衰落环境中，以一定功率和带宽发送时候，信 号最远的传输距离。表1列出了在进行上行小区半径估算时需要的相关参数，对于 广播白频谱资源的估计，只需要根据实际的广播频谱划分修改发射功率，收发天线 高度和对应的中心载频频点即可。

表1

根据上行链路参数，分别计算郊区环境和城市环境中用户的发射功率为 31.2dBm和适当增大至39dBm时可达到的覆盖距离。如果用户的发射功率为 31.2dBm，在乡村地区可以达到15km的覆盖距离；在城市地区覆盖距离约为9km。 如果适当增大用户的发射功率，则在乡村地区可以达到25km的覆盖距离，在城市 地区的覆盖距离约为15km。

实现频谱礼仪的流程如图1所示。

T1～T5分别表示五个时隙，每个时隙的持续时间为10ms，与广播下行的帧长 时间相等。在每个时隙的开始阶段，由某一个基站通过共享信道广播调度结果和网 络使用状况，认知无线电设备则这个广播内容结束之后发送自己的频谱请求(如图 中CPE1，CPE2和CPE3)。

在T2时隙，CPE1发出服务请求，中心大塔在接收到这个请求后在T3时隙通 过基站广播调度结果，通知CPE可用的白频谱资源频段和可用时间。在T4时间， CPE2和CPE3均发出了服务请求，中心大塔分析了两个设备的请求之后做出调配， 由于CPE2先发出请求，因此优先给CPE2使用预留的白频谱资源；而CPE3的请 求具有时延要求，希望能够在下一个时隙得到服务，与此同时BS1当前阶段的网 络负载较小，于是中心大塔通知CPE3使用F1频段，并通过广播频道通知BS1小 区内的上行用户，在T5时隙的部分时间内暂时保持静默。

通过共享控制信道的策略，可以实现广播上行网络与其它认知无线电网络的共 存，进一步提高了白频谱的利用率。若没有预留的白频谱资源，则每次有认知无线 电设备都需要重新广播上行用户的上行时间，导致下行广播信令开销的增大，而预 留的白频谱资源越多，可用于广播上行的频带资源相对减少。

根据图2～4可知，当其它认知无线电网络的接入概率较小()时，上行用户的平 均等待时延并不会增加，而当其它认知无线电网络的负载较高，接入率较大的时候， 上行网络的资源被用来支持其它认知无线电业务，上行用户等待调度的时延增大。 另一方面，用户的等待时延与预留的频带带宽有关，预留的频域资源越多，上行网 络的业务被中断的概率越低，但是预留带宽受限于实际场景下的白频谱分布情况， 不可能无限增多，一般而言，当预留带宽达到上行小区带宽的20％时，上行用户 可以在其它认知无线电网络负载较高时保持自身的正常通信。

根据图5～7可知，当预留的频带资源较少(5％或10％)时，上行网络的单个 小区吞吐量会受到其它认知无线电网络的影响，特别是其它认知无线电网络的负载 较高时，上行网络的吞吐量将受到影响，在其它认知设备到达率为20时，上行网 络吞吐量约有10％的损耗；当预留的频带较多(20％)时，上行网络的吞吐量将随 上行用户的到达率增加而增加，不受到其它认知无线电网络的影响。

综合来看，若不为其它认知无线电网络预留频段，则上行用户的业务将一直受 到其它设备的影响，上行用户的等待时延随着其它设备到达率的增加而增加，上行 网络的吞吐量将随着其它设备的到达率增加而减小。为其它认知无线电网络预留部 分频谱资源可以适当减小上行用户的等待时延，且在预留频谱资源到达上行带宽的 20％时，若其它认知无线电网络的到达率低于20，且数据包的长度不超过1820比 特时，上行用户将几乎不受影响。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效 的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明 的保护范围应以权利要求的保护范围为准。